計(jì)量系統(tǒng)在大型LNG接收站的應(yīng)用

1計(jì)量系統(tǒng)的應(yīng)用背景

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外天然氣貿(mào)易交接越來(lái)越頻繁,買賣雙方及政府部門等各方對(duì)天然氣貿(mào)易計(jì)量的要求越來(lái)越高,計(jì)量系統(tǒng)應(yīng)用的好壞與否直接影響貿(mào)易交接雙方的利益。特別是計(jì)量系統(tǒng)的測(cè)量精度直接影響天然氣貿(mào)易計(jì)算和經(jīng)濟(jì)效益,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì):3億Nm3/年的計(jì)量站,每0.2%的精度變化,會(huì)帶來(lái)60萬(wàn)m3/年的計(jì)量偏差,相當(dāng)于100萬(wàn)元人民幣/年。

(1)參與天然氣貿(mào)易交接計(jì)量相關(guān)各方的關(guān)注要點(diǎn):1)國(guó)家層面所建立的標(biāo)準(zhǔn)、頒布的計(jì)量法及檢定規(guī)程:2)國(guó)家質(zhì)檢總局認(rèn)可的管理計(jì)量機(jī)構(gòu)和檢定機(jī)構(gòu):3)買賣雙方輸差范圍,采用的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、檢定標(biāo)準(zhǔn):4)設(shè)計(jì)院根據(jù)用戶需求設(shè)計(jì)的計(jì)量技術(shù)方案:5)制造廠商對(duì)設(shè)計(jì)意圖的理解及提供合理計(jì)量方案的計(jì)量系統(tǒng):6)施工方對(duì)于制造商提供計(jì)量產(chǎn)品安裝要求的理解及施工過(guò)程質(zhì)量控制:7)運(yùn)營(yíng)中生產(chǎn)單位所采取的計(jì)量管理方式、維護(hù)及維修策略。

(2)目前我國(guó)的天然氣計(jì)量系統(tǒng)中核心部件流量計(jì)主要有以下幾種:1)孔板流量計(jì)量?？装辶髁坑?jì)為壓差式流量計(jì),是國(guó)內(nèi)使用最為普遍的計(jì)量方式,技術(shù)成熟度高,其原理為在輸氣管道內(nèi)安裝孔板作為節(jié)流元件,當(dāng)有天然氣通過(guò)時(shí),流體界面突然減小,流速加快,孔板后端壓力降低,通過(guò)測(cè)量其前后壓差,在已知有關(guān)參數(shù)的條件下根據(jù)流動(dòng)連續(xù)性原理和伯努利方程可以推導(dǎo)出差壓與流量之間的關(guān)系而求得流量。它的缺點(diǎn)是壓損大,測(cè)量精度低:優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定。2)渦輪流量計(jì)量。渦輪流量計(jì)測(cè)量原理是流體流經(jīng)傳感器殼體,由于葉輪的葉片與流向有一定的角度,流體的沖力使葉片旋轉(zhuǎn),在力矩平衡后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,在一定條件下轉(zhuǎn)速與流速成正比,由于葉片有導(dǎo)磁性,根據(jù)電磁場(chǎng)原理線圈兩端感應(yīng)出電脈沖信號(hào),脈沖頻率與流經(jīng)傳感器的流體的瞬時(shí)流量成正比,進(jìn)而計(jì)算出流體流量。用其測(cè)量壓力損失小,但對(duì)于流體的性質(zhì)有較高的要求。缺點(diǎn)是渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生機(jī)械摩擦,需注意潤(rùn)滑維護(hù)保養(yǎng),如上游配套過(guò)濾器要避免較大顆粒損壞葉片,對(duì)前后直管段有較高要求:優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、精度高、重復(fù)性好。3)超聲波流量計(jì)量。超聲波流量計(jì)的工作原理為超聲波在流動(dòng)的流體中傳播時(shí)載有流體流速的信息,通過(guò)接收到的超聲波就可以檢測(cè)計(jì)算出流體的流速,從而換算成被測(cè)流體的流量。根據(jù)檢測(cè)方式,可分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法及相關(guān)法等不同類型的超聲波流量計(jì)。缺點(diǎn)是對(duì)前后直管段安裝有較高要求,國(guó)內(nèi)大口徑存在標(biāo)定困難問(wèn)題,另外價(jià)格昂貴:優(yōu)點(diǎn)為測(cè)量精度高,量程比大,能實(shí)現(xiàn)雙向流量計(jì)量,適應(yīng)性強(qiáng)、占地少,無(wú)可動(dòng)部件,堅(jiān)固耐用。

2計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1總體要求

LNG接收站計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)在功能、性能指標(biāo)等方面滿足國(guó)家相關(guān)的法律、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)要求和建設(shè)方的要求,應(yīng)充分考慮如何實(shí)現(xiàn)計(jì)量的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和一致性等,同時(shí)應(yīng)明確以下幾點(diǎn):(1)標(biāo)準(zhǔn)的參比條件:天然氣體積計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)參比條件為293.15K、101.325kPa,發(fā)熱量計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)參比條件為293.15K。也可以采用建設(shè)方招標(biāo)時(shí)合同中規(guī)定的其他參比條件。(2)計(jì)量系統(tǒng)能夠根據(jù)工作條件下和標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的密度把流量計(jì)在工作條件下測(cè)得的體積流量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量或質(zhì)量或者標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的能量。工作條件下和標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的密度可實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量或通過(guò)氣體組成計(jì)算,密度的計(jì)算應(yīng)能連續(xù)測(cè)量溫度和壓力。保證所使用的方法具有溯源性和可靠性。(3)天然氣計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要保證測(cè)量準(zhǔn)確度,誤差在允許范圍內(nèi),同時(shí)要滿足安裝要求。

2.2環(huán)境條件

計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需根據(jù)自身應(yīng)用情況、所在周邊環(huán)境條件及影響,同時(shí)兼顧安全方面因素的影響,具體如下:(1)計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及選址等應(yīng)使干擾和危險(xiǎn)因素對(duì)于其自身和周邊的相關(guān)工藝裝置或系統(tǒng)的影響控制在一個(gè)可接受范圍內(nèi):(2)周邊環(huán)境噪聲水平控制在當(dāng)?shù)胤煞ㄒ?guī)規(guī)定的范圍內(nèi),工作區(qū)噪聲應(yīng)確保有適當(dāng)?shù)拇胧┓乐箤?duì)操作人員產(chǎn)生傷害:(3)環(huán)境溫、濕度和壓力等條件下應(yīng)保證所有儀器儀表及設(shè)備等都能正常工作。

2.3典型計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

通常計(jì)量系統(tǒng)應(yīng)以建設(shè)方提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及天然氣外輸規(guī)模(包括遠(yuǎn)期預(yù)留)為依據(jù)開(kāi)展設(shè)計(jì)工作,計(jì)量系統(tǒng)并不是簡(jiǎn)單的流量計(jì)加流量計(jì)算機(jī),其規(guī)模雖小但卻是一個(gè)重要的系統(tǒng)工程,內(nèi)容涵蓋技術(shù)方案的確定、計(jì)量橇的集成、配套的計(jì)量?jī)x表盤、配套的分析儀表集成等等。設(shè)計(jì)時(shí)通常主要有如下要求:

2.3.1工藝、管道方面

(1)應(yīng)對(duì)計(jì)量系統(tǒng)管道的橢圓度和同心度有嚴(yán)格的技術(shù)要求:(2)為了計(jì)量準(zhǔn)確,計(jì)量管道的設(shè)計(jì)應(yīng)注意避免脈動(dòng)流和振動(dòng),可適當(dāng)在管路上游加裝整流器:(3)根據(jù)建設(shè)方的供氣合同合理設(shè)計(jì)備用旁路,其主要作用為某一路計(jì)量管路無(wú)法正常工作時(shí)切換至備用旁路管路仍能保證正常外輸狀態(tài):

(4)預(yù)留一比對(duì)回路來(lái)實(shí)現(xiàn)其中某一路出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)與比對(duì)回路連通以檢查、核實(shí)及校準(zhǔn)流量計(jì):(5)緊急情況下可安全關(guān)閉計(jì)量系統(tǒng),計(jì)量橇上下游需設(shè)計(jì)緊急切斷閥,盡可能選擇雙關(guān)斷球閥實(shí)現(xiàn)零泄漏:(6)應(yīng)充分考慮計(jì)量系統(tǒng)主管線上設(shè)備、儀表等安裝、運(yùn)輸、維修、維護(hù)及標(biāo)定等的空間充足。

2.3.2電氣、儀表方面

(1)計(jì)量系統(tǒng)應(yīng)滿足對(duì)天然氣體積和能量進(jìn)行精確計(jì)量,能量計(jì)量應(yīng)由體積流量和在線色譜分析儀確定的熱值計(jì)算產(chǎn)生:(2)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮流量計(jì)校正措施,根據(jù)JJG1030一2007《超聲流量計(jì)檢定規(guī)程》要求,計(jì)量系統(tǒng)應(yīng)具有聲速核查及自診斷功能,能延長(zhǎng)標(biāo)定周期,實(shí)現(xiàn)6年標(biāo)定一次:(3)對(duì)氣體在超聲波流量計(jì)中流速有具體要求,一般最大流速不宜超過(guò)20m/s:(4)應(yīng)具有在線標(biāo)定功能,標(biāo)定回路設(shè)置合理,且便于現(xiàn)場(chǎng)操作:(5)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的氣候條件、防爆區(qū)域劃分合理選擇電氣、儀表、接線箱及閥門等的材質(zhì)、防護(hù)等級(jí)、防爆等級(jí):(6)現(xiàn)場(chǎng)UPs供電系統(tǒng)每個(gè)回路獨(dú)立供電及防雷接地保護(hù)的設(shè)計(jì):(7)流量計(jì)的設(shè)計(jì)及安裝應(yīng)充分考慮其前后直管段的要求:(8)流量計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)含有多種可選擇的貿(mào)易計(jì)量標(biāo)準(zhǔn):(9)流量計(jì)算機(jī)壓縮因子的計(jì)算方法應(yīng)滿足Iso12213或AGA8等標(biāo)準(zhǔn)的要求:(10)流量計(jì)需取得中國(guó)計(jì)量器具形式批準(zhǔn)證書(shū)。

3計(jì)量系統(tǒng)應(yīng)用案例

某大型LNG接收站項(xiàng)目一期外輸規(guī)模為200萬(wàn)t/年,二期外輸規(guī)模為400萬(wàn)t/年,外輸壓力9.0MPa。其中計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括4路12寸計(jì)量管路,計(jì)量橇的匯管尺寸為36寸,計(jì)量橇匯氣管、計(jì)量比對(duì)管路及二期預(yù)留均設(shè)置預(yù)留接口。

該計(jì)量系統(tǒng)為整體橇裝形式,主要包括氣體超聲波流量計(jì)、上游及下游匯氣管、上游及下游連接直管段、上游及下游切斷閥、溫度和壓力檢測(cè)儀表等:還包括計(jì)量?jī)x表盤以及配套的分析儀表:分析儀表采用分析小屋橇裝形式,主要包括氣象色譜分析儀、硫化氫分析儀、烴露點(diǎn)結(jié)合水露點(diǎn)分析儀各一套。另外,計(jì)量系統(tǒng)還配置流量計(jì)算機(jī)和流量管理計(jì)算機(jī),實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)量過(guò)程的控制、監(jiān)控和相應(yīng)的計(jì)算等功能,并實(shí)現(xiàn)與DCs控制系統(tǒng)之間的相關(guān)通信,以上計(jì)算機(jī)均安裝于計(jì)量控制室內(nèi)。為保證計(jì)量系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,此項(xiàng)目正常外輸時(shí)輸氣管路三用一備,各個(gè)管路與備用管路之間設(shè)置有相互比對(duì)的連接管路,當(dāng)一路流量計(jì)可能出現(xiàn)偏差時(shí),可以打開(kāi)比對(duì)閥門,使天然氣同時(shí)通過(guò)兩個(gè)串聯(lián)的流量計(jì),以檢查核實(shí)流量計(jì)的工作情況。為了保證計(jì)量準(zhǔn)確度,該項(xiàng)目比對(duì)閥門采用DBB雙關(guān)斷帶泄壓球閥,該閥門可現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作,閥位反饋信號(hào)引進(jìn)中央控制系統(tǒng)。

本項(xiàng)目核心設(shè)備采用艾默生丹尼爾的4聲道超聲波流量計(jì)(3400系列),該系列產(chǎn)品技術(shù)成熟、應(yīng)用穩(wěn)定,同時(shí)具有丹尼爾超聲波流量計(jì)獨(dú)特的聲道替代補(bǔ)償技術(shù):如果一對(duì)探頭失靈,或在維護(hù)時(shí)拆卸一對(duì)探頭,對(duì)測(cè)量精度的影響仍然有限等。另外,其配置的診斷軟件能按照AGA10報(bào)告進(jìn)行聲速計(jì)算核查,將超聲波流量計(jì)的實(shí)流標(biāo)定周期延長(zhǎng)至6年。氣相色譜分析儀采用艾默生的MD1570,流量計(jì)算機(jī)采用艾默生s600系列,與色譜分析儀配合使用,不間斷地將超聲波流量計(jì)測(cè)得的聲速與在天然氣中的理論值進(jìn)行比較,可在線連續(xù)監(jiān)控或校核超聲波流量計(jì)的計(jì)量精度。

本項(xiàng)目其他主要設(shè)備及儀器選型具體如下:(1)流量計(jì)上游及比對(duì)回路手動(dòng)球閥、匯管手動(dòng)球閥為喀麥隆,型號(hào)為T31:(2)流量計(jì)下游切斷強(qiáng)制密封球閥采用oRBIT閥門:(3)壓力變送器采用艾默生3051系列:(4)壓力表采用品牌為wIKA:(5)溫度變送器采用艾默生3144P系列:(6)硫化氫分析儀采用阿美泰克933:(7)烴露點(diǎn)和水露點(diǎn)分析儀采用米歇爾、阿美泰克:(8)取樣分析管路及管閥件采用世偉洛克。

值得一提的是,該項(xiàng)目的采購(gòu)周期受橇內(nèi)閥門制造周期的影響非常大,其中12寸閥門12臺(tái)、36寸閥門4臺(tái)(主要為二期預(yù)留匯管管線),由于喀麥隆oRBIT閥門在天然氣計(jì)量貿(mào)易的應(yīng)用市場(chǎng)占比相當(dāng)大,具有壓倒性優(yōu)勢(shì),所以價(jià)格極其昂貴,訂貨通常需要排隊(duì),一般供貨周期至少一年。

由于計(jì)量系統(tǒng)為橇裝形式,整體尺寸較大,不利于運(yùn)輸,拆解為六個(gè)橇塊,現(xiàn)場(chǎng)拼接安裝的過(guò)程中采取了有效措施消除管道的應(yīng)力對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表的影響,特別是超聲波流量計(jì)安裝時(shí)經(jīng)過(guò)反復(fù)數(shù)次調(diào)整才徹底消除了對(duì)管道產(chǎn)生的附加應(yīng)力,有效保證了測(cè)量的準(zhǔn)確性。

4計(jì)量系統(tǒng)的標(biāo)定

計(jì)量系統(tǒng)正式投產(chǎn)后除了日常正常的維護(hù)、維修之外,一項(xiàng)重要工作就是流量計(jì)的標(biāo)定。一般流量計(jì)的標(biāo)定有兩種:一種是拆卸后到標(biāo)定站進(jìn)行標(biāo)定,一種是標(biāo)定車到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行標(biāo)定,目前第一種情況較為普遍。國(guó)內(nèi)主要標(biāo)定單位是南京站,隨著國(guó)內(nèi)天然氣計(jì)量的迅猛發(fā)展,每年國(guó)內(nèi)有相當(dāng)數(shù)量的流量計(jì)需要標(biāo)定,一般標(biāo)定至少提前半年預(yù)約,這給運(yùn)營(yíng)的項(xiàng)目公司帶來(lái)不小的壓力,運(yùn)營(yíng)管理人員必須根據(jù)實(shí)際的投產(chǎn)情況合理做好標(biāo)定計(jì)劃。不過(guò)近年來(lái)廣州站已能進(jìn)行流量計(jì)的標(biāo)定,從某種程度上緩解了流量計(jì)標(biāo)定需要排隊(duì)的壓力。

此外,能夠通過(guò)技術(shù)手段使得流量計(jì)標(biāo)定延長(zhǎng)至6年尤為重要,其在保證正常生產(chǎn)的同時(shí)節(jié)省了高昂的標(biāo)定費(fèi)用:有效的生產(chǎn)日常管理也十分重要,保證管道盡可能清潔,使其對(duì)計(jì)量系統(tǒng)產(chǎn)生影響降到最低,也可使得流量計(jì)工作得更可靠、更穩(wěn)定。

5結(jié)語(yǔ)

綜上所述,計(jì)量系統(tǒng)在天然氣貿(mào)易交接中占有重要地位,擁有一套好用的計(jì)量系統(tǒng),盡可能地在設(shè)計(jì)、采辦、施工及后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)、維修等各個(gè)階段把控好,做一個(gè)全生命周期的管理,才能最大限度發(fā)揮它在貿(mào)易交接中的巨大作用。